三類GPS測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

一、GPS簡(jiǎn)介

GPS是一種通用的全球定位工具，已成為配給時(shí)間和頻率的基本系統(tǒng)。它由美國(guó)國(guó)防部控制、管理，至少由24顆衛(wèi)星組成。GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電在L 1和L 2（載頻）上傳送，其中L 1：1575.42 MH z；L 2：1227.60MH z。每個(gè)衛(wèi)星傳送無線電擴(kuò)大的頻譜波形叫做PRN碼（隨機(jī)噪聲碼），它位于L 1與L2之間，并能準(zhǔn)確識(shí)別它發(fā)射的PRN碼。PRN碼一般分為C/A碼（粗嗎）和P碼（精碼），C/A碼的工作頻率為1.023Mbit/s；P碼的工作頻率為10.23Mbit/s。C/A碼位于無線電傳送L1波段，P碼位于位于無線電傳送L1與L2波段之間。將GPS接收機(jī)安裝在無線電通信系統(tǒng)中，用于校準(zhǔn)和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室。

每個(gè)GPS衛(wèi)星上都裝載著銣原子或銫原子鐘，或者兩者都有。星載原子鐘提供無線電載波頻率和時(shí)間參考信號(hào)，并在USDOD（美國(guó)國(guó)防部）和UTC（協(xié)調(diào)世界時(shí)）參考指導(dǎo)下，由USNO（美國(guó)海軍天文臺(tái)）維護(hù)。其中USNO和NIST（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院）與UTC保持共同一致，時(shí)間彼此同步在100ns，頻率在不同時(shí)刻之間誤差小于1x10-13。

用于時(shí)間和頻率測(cè)量中的GPS接收機(jī)，多數(shù)采用無線電C/A碼，以L1頻率作為時(shí)間和頻率參考，與八到十二顆星軌跡同步，提供觀察到的所有衛(wèi)星信號(hào)的平均值。能通過RS-232或其它常用的接口，在計(jì)算機(jī)上提供一天的時(shí)間和清晰的數(shù)據(jù)信息，并且提供一個(gè)能容易的與UTC在100ns內(nèi)同步的1PPS（每秒一個(gè)脈沖）脈沖信號(hào)和日歷。GPS接收機(jī)能產(chǎn)生5MHz或10MHz頻率輸出，有時(shí)也產(chǎn)生用于無線電的其它頻率，如1.544MHz或2.048MHz。其內(nèi)部包括一個(gè)高精度的本地振蕩器，通常是一個(gè)溫補(bǔ)石英晶體振蕩器或銣振蕩器，GPS通過連續(xù)控制本地振蕩器與衛(wèi)星上星載振蕩器保持一致，方便的進(jìn)行頻率標(biāo)準(zhǔn)。

二GPS測(cè)量技術(shù)

在時(shí)間頻率計(jì)量學(xué)中，GPS測(cè)量技術(shù)通常被分為三類：?jiǎn)蜗?、普?觀測(cè)和載波—相位。單相GPS測(cè)量的不確定度較小，通常可以滿足任何校準(zhǔn)或檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室。普通-觀測(cè)和載波—相位測(cè)量的程序較多，包括測(cè)試數(shù)據(jù)后處理程序，其測(cè)量不確定度更小，一般用在國(guó)際比對(duì)與計(jì)量實(shí)驗(yàn)室。

三種GPS測(cè)量技術(shù)的比較表如下：

1、單相GPS測(cè)量技術(shù)

單相GPS測(cè)量技術(shù)用于單臺(tái)鐘或振蕩器與GPS比較，通常應(yīng)用在時(shí)間脈沖同步和頻率校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，直接從GPS接收機(jī)獲得作為校準(zhǔn)的參考信號(hào)，用于絕對(duì)時(shí)間與不需要對(duì)測(cè)試結(jié)果后處理的地方。接收機(jī)在測(cè)試之前，必須完成數(shù)據(jù)采集，采集過程包括觀察天線位置。GPS時(shí)間頻率接收機(jī)的天線位置是固定的，觀察一次完成后不需要再計(jì)算定位位置。因此，時(shí)間頻率接收機(jī)通常存儲(chǔ)一個(gè)定位位置信號(hào)，以后接著使用相同的位置，多數(shù)接收機(jī)在開機(jī)時(shí)能夠自動(dòng)的進(jìn)行自檢。當(dāng)完成一次信號(hào)采集，接收機(jī)輸出信號(hào)連接到測(cè)試系統(tǒng)。在時(shí)間同步測(cè)試時(shí)，接收機(jī)輸出的1PPS信號(hào)直接接到時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的輸入；在頻率測(cè)試時(shí)，GPS內(nèi)振蕩器輸出的頻率信號(hào)（10MHz）可作為相位比較器的輸入，或作為頻率計(jì)數(shù)器的外時(shí)間基準(zhǔn)。

由于GPS衛(wèi)星傳播、調(diào)整的信號(hào)與UTC一致，因此，GPS接收機(jī)的長(zhǎng)期準(zhǔn)確性總是很好，C/A碼的特性變得也相當(dāng)好。但是，美國(guó)政府為了限制其他國(guó)家把GPS信息用于高科技和國(guó)防上，故意在GPS信號(hào)上SA（選擇可用性）噪聲，以減弱其定位與時(shí)間的準(zhǔn)確性。當(dāng)SA設(shè)置為0時(shí)，GPS接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)相位數(shù)據(jù)曲線如下：

它顯示的是10min的平均值數(shù)據(jù)，將單相GPS接收機(jī)輸出的1PPS與UTC（NIST）通過時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較。由相位曲線可以看出，每天測(cè)試的相位幅度相近。當(dāng)平均周期為一天或更長(zhǎng)的時(shí)間時(shí)，其穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性總是很好，信號(hào)相位噪聲限制短期穩(wěn)定性，其阿倫方差圖如下：

表明接收機(jī)的穩(wěn)定度接近1x10-13/d，平均相位噪聲穩(wěn)定度連續(xù)降至10-14量級(jí)，相位噪聲限制接收機(jī)短期穩(wěn)定度1s時(shí)在10-9量級(jí)。如果選定從GPS內(nèi)振蕩器獲得分布頻率，或用它作為一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的參考，即可得到所需要的短期穩(wěn)定性。GPS內(nèi)振蕩器幾乎能校準(zhǔn)任何頻率標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度（取樣時(shí)間為一天或更長(zhǎng)時(shí)間），但通常不適用測(cè)量其中、短期穩(wěn)定度（取樣時(shí)間小于1000s）。

2、普通-觀測(cè)GPS測(cè)量技術(shù)

普通-觀測(cè)型是GPS測(cè)量技術(shù)中一種簡(jiǎn)便、精巧的方法，它用于同一地方的兩臺(tái)鐘或不同地方的本地振蕩器相互比較，已長(zhǎng)期被用作國(guó)際時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)。TAI（國(guó)際原子時(shí)）與UTC是由約50個(gè)實(shí)驗(yàn)室200多個(gè)本地原子鐘的平均數(shù)據(jù)收集產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)多數(shù)用于一般的GPS測(cè)量。一旦數(shù)據(jù)被傳送到BIPM（國(guó)際計(jì)量局），TAI與UTC的穩(wěn)定度為10-15。

以上顯示的是普通-觀測(cè)型GPS的工作過程。GPS衛(wèi)星發(fā)射機(jī)（S）發(fā)射的信號(hào)作為參考信號(hào)，兩臺(tái)鐘或振蕩器（A與B）現(xiàn)對(duì)于兩臺(tái)GPS接收機(jī)比較測(cè)量。這個(gè)衛(wèi)星與兩臺(tái)接收機(jī)之間以普通-觀測(cè)型出現(xiàn)，二者同步接收S發(fā)射的信號(hào)，各個(gè)接收機(jī)與它本地鐘接收到的信號(hào)或數(shù)據(jù)記錄比較。接收機(jī)A接收的信號(hào)通過τSA通道與本地參考鐘（S-鐘A）比較；接收機(jī)B接收的信號(hào)通過τSB通道與本地參考鐘（S-鐘B）比較；然后兩臺(tái)接收機(jī)互換，接收的數(shù)據(jù)不同。從兩個(gè)通道來的誤差通常被抵消，包括衛(wèi)星鐘上的性能，最后的測(cè)量結(jié)果是（鐘A-鐘B）-（τSA-τSB）。

普通-觀測(cè)GPS測(cè)量技術(shù)能完全地將轉(zhuǎn)換為兩者接收機(jī)位置所共有的測(cè)量誤差相互抵消，這些誤差包括天體位置推算表誤差；電離層傳播與對(duì)流層中斷校準(zhǔn)誤差；接收機(jī)坐標(biāo)誤差；以及接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)通道的變化、接收中斷的變化、溫度變化等所產(chǎn)生的誤差。為了獲得最好的測(cè)量結(jié)果，要求使用相同的接收設(shè)備且天線在相同的位置，并盡可能準(zhǔn)確地觀察天線的位置。當(dāng)在同一大陸的兩個(gè)站之間使用時(shí)，普通-觀測(cè)GPS測(cè)量技術(shù)的時(shí)間不確定度（2σ）將小于10s/d，其頻率不確定度是1x10-13。其穩(wěn)定度大約每天為1x10-13，每周接近1x10-14。

3、載波—相位GPS測(cè)量技術(shù)

載波—相位GPS測(cè)量技術(shù)主要用于頻率傳遞，由L1與L2載波頻率代替衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)間碼。其重要標(biāo)志是載波—相位測(cè)量能使單通道測(cè)量用于絕對(duì)時(shí)間或普通-觀測(cè)測(cè)量傳遞過程。載波-相位技術(shù)擴(kuò)展到收集數(shù)據(jù)的傳遞過程，并且不需要每天測(cè)量，能盡可能地減少測(cè)量不確定度，因此，其主要用于原子頻率標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際比對(duì)中。

在采用載波-相位測(cè)量技術(shù)進(jìn)行的國(guó)際比對(duì)中，從接收機(jī)獲取的信號(hào)與從地方的主要頻率標(biāo)準(zhǔn)獲取的信號(hào)比較，在測(cè)量結(jié)果之前交換彼此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。理論上，每個(gè)地點(diǎn)比對(duì)僅需要一臺(tái)接收機(jī)?？墒?，由于大氣壓的延遲與劃分國(guó)家基準(zhǔn)線有很大不同，接收機(jī)網(wǎng)用于改善測(cè)量結(jié)果。各個(gè)接收機(jī)收集數(shù)據(jù)用于幫助解決周期模糊問題，比對(duì)在NIST與PTB（德國(guó)物理技術(shù)研究所）之間進(jìn)行。在德國(guó)，通常一個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用6臺(tái)接收機(jī)，每臺(tái)接收機(jī)位于各自實(shí)驗(yàn)室，一臺(tái)接收機(jī)位于相鄰的實(shí)驗(yàn)室，并且，兩臺(tái)位于基準(zhǔn)線中間的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室。一些載波-相位網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大，可以包括近100臺(tái)接收機(jī)。

從地球動(dòng)力學(xué)IGS（國(guó)際GPS服務(wù)站）獲得準(zhǔn)確的軌跡信息和計(jì)算參數(shù)，收集詳細(xì)的電離層與大氣壓數(shù)據(jù)，通過專門的軟件分析包進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析處理。從載波-相位公式可以看出需要確定的參數(shù)，軟件分析包能夠?qū)υS多參數(shù)進(jìn)行估算，但周期跳變與氣壓延遲參數(shù)的值是最難確定的。